Кишечные бактерии размножаются в пище, которую мы едим. В свою очередь, они обеспечивают нас необходимыми питательными веществами, которые поддерживают наше здоровье, отталкивают патогены и даже помогают направлять наши иммунные реакции.
Понимание того, как и почему некоторые бактериальные штаммы, которые мы потребляем, могут успешно поселиться в толстой кишке, в то время как другие быстро выселяются, может помочь ученым узнать, как манипулировать составом тысяч видов бактерий таким образом, чтобы улучшить нашу здоровье или помощь в борьбе с болезнью. Но абсолютная сложность экологии кишечника помешала этой задаче.
Теперь исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета, работающие с лабораторными мышами, показали, что можно способствовать приживлению одного бактериального штамма по сравнению с другими, манипулируя диетой мышей. Исследователи также показали, что можно контролировать рост бактерий в кишечнике путем калибровки количества определенного углевода в воде или пище каждой мыши.
«Мы все наделены микробным сообществом в нашем кишечнике, которое хаотично собиралось в течение первых нескольких лет нашей жизни», - сказал Джастин Зонненбург, доктор философии, доцент кафедры микробиологии и иммунологии. «Хотя мы продолжаем приобретать новые штаммы на протяжении всей жизни, это приобретение представляет собой плохо спланированный и недостаточно понятный процесс. Это исследование предполагает, что можно преднамеренно изменить наш микробиом для улучшения здоровья и борьбы с болезнями».
Документ с описанием исследования будет опубликован онлайн 9 мая в журнале Nature. Зонненбург является старшим автором. Бывшая аспирантка Элизабет Шеперд, доктор философии, является ведущим автором.
Помогаем бактериям
Растущая область пробиотиков - живых, предположительно полезных для здоровья бактериальных культур, естественным образом присутствующих в пищевых продуктах, таких как йогурт, или включенных в пероральные добавки, отпускаемые без рецепта, - является примером растущего осознания общественностью важности кишечных бактерий. Однако даже если вы не принимаете пробиотики и не едите йогурт, каждый из нас неосознанно потребляет небольшое количество кишечно-адаптированных микробов на протяжении всей жизни. Но, независимо от источника, неизвестно, в чем причина успеха одного штамма над другим. Многие из них быстро проходят через наш пищеварительный тракт, не закрепившись на нашем изобилующем кишечном ковре.
Зонненбург и его коллеги задались вопросом, даст ли повышение диеты определенным бактериальным штаммам преимущество на диком западе кишечного микробиома. Для расследования они отправились на предприятие по очистке сточных вод Сан-Хосе, чтобы найти представителей Bacteroides - самого известного рода в кишечной микробиоте человека - в частности, в поисках штаммов, способных переваривать ингредиент, относительно редко встречающийся в рационе американцев: морские водоросли нори. используется в суши-роллах и других японских блюдах. Они проверили бактерии, собранные в первичных сточных водах, на способность использовать углевод, содержащийся в нори, называемый порфираном.
«Гены, которые позволяют бактериям переваривать порфиран, чрезвычайно редки среди людей, которые не употребляют морские водоросли в качестве обычной части своего рациона», - сказал Зонненбург. «Это позволило нам проверить, сможем ли мы обойти правила сложных экосистем, создав привилегированную нишу, которая могла бы благоприятствовать одному микробу, позволяя ему существовать в отсутствие конкуренции со стороны 30 триллионов других микробов в кишечнике».
Как только они обнаружили штамм Bacteroides, поедающий нори, исследователи попытались ввести его в каждую из трех групп лабораторных мышей. У двух групп мышей были удалены собственные кишечные бактерии и заменены естественными кишечными бактериями от двух здоровых доноров-людей, каждый из которых был пожертвован исключительно той или иной группе. Третья группа мышей содержала обычное специфичное для мышей сообщество кишечной микробиоты.
Прямой эффект
Исследователи обнаружили, что когда мышей кормили типичной диетой из мышиного корма, штамм, переваривающий порфиран, смог прижиться в двух группах мышей в разной и ограниченной степени; одна из групп мышей с кишечными бактериями человека полностью отвергла новый штамм. Однако, когда мышей кормили пищей, богатой порфираном, результаты были совершенно иными: бактерии прочно приживались на одинаковых уровнях у всех мышей. Более того, Шепард обнаружила, что может точно откалибровать размер популяции привитых бактерий, увеличивая или уменьшая количество нори, которое потребляют животные.
«Результаты этого эксперимента с разбавлением поразили нас», - сказал Зонненбург. «Прямое влияние диеты на бактериальную популяцию было совершенно очевидным».
В дополнение к демонстрации того, что они могут способствовать приживлению и росту бактериального штамма, пожирающего нори, исследователи пошли еще дальше, показав, что гены, необходимые для переваривания порфирана, существуют как единица, которую можно встроили в другие штаммы Bacteroides, что дало им такое же преимущество приживления. Теперь они работают над идентификацией других генов, отвечающих за сходные диетические способности.
«Мы можем использовать эти генные модули для разработки обширного набора инструментов, чтобы сделать терапевтические микробные методы лечения реальностью», - сказал Зонненбург.«Гены, переваривающие порфиры, и диета, богатая морскими водорослями, - это первая пара, но потенциально могут быть и сотни других. Мы хотели бы расширить эту простую парадигму, включив в нее целый ряд пищевых компонентов и микробов».
Исследователи также предвидят развитие бактерий, которые содержат аварийные переключатели и логические вентили, которые позволят клиницистам включать и выключать бактериальную активность по своему желанию или при возникновении определенного набора обстоятельств.
«За последние 10 лет стало совершенно ясно, что кишечные микробы не только связаны со многими аспектами нашей биологии, но и очень податливы», - сказал Зонненбург. «Наша растущая способность манипулировать ими изменит то, как практикуется точное здоровье. Врач, чей пациент собирается начать иммунотерапию рака, может выбрать также введение бактериального штамма, который, как известно, активирует иммунную систему, например. И наоборот, пациент с аутоиммунным заболеванием может помочь другой набор микробиоты, который может снизить сверхактивный иммунный ответ. Они просто очень мощный рычаг для модуляции нашей биологии в отношении здоровья и болезней».